Hai hiện tượng ôxi hóa trong đại dương cổ đại giải thích sự lan tỏa của dạng sống phức tạp

Theo một nghiên cứu mới, tỉ lệ ôxi và hiện tượng ôxi hóa tăng lên ở những vùng biển sâu vào khoảng 635 đến 551 triệu năm trước có thể ảnh hưởng đến sự gia tăng cũng như sự lan tỏa của các dạng sống phức tạp đầu tiên.

Ngày nay chúng ta sử dụng khí ôxi với rất nhiều mục đích. Nhưng ôxi chỉ mới xuất hiện trên bầu khí quyển của trái đất cách đây 2,5 tỉ năm và cách đây 600 triệu năm ôxi trong khí quyển mới chỉ chiếm một tỉ lệ vô cùng nhỏ so với ngày nay. Từ rất lâu, các nhà địa chất và các nhà sinh học tiến hóa đã nghiên cứu sự tăng lên của loại khí cần cho quá trình hô hấp, cũng như quá trình ôxi hóa sau đó tại những vùng biển sâu có liên quan mật thiết đến sự tiến hóa của hệ thống sinh học hiện đại.

Để chứng minh mối liên hệ giữa tiến hóa sinh học và biến đổi môi trường, nhóm các nhà khoa học quốc tế thuộc đại học công nghệ Virgina, đại học Maryland, đại học Nevada tại Las Vegas và học viện khoa học Trung Quốc đã nghiên cứu những biển đổi địa hóa học và sự phân bố những lớp trầm tích có từ 635 đến 551 triệu năm trước được lưu giữ tại Doushantuo Formation (khu vực đèo Yangtze – miền nam Trung Quốc).

Theo Kathleen A. McFadden – tiến sĩ địa sinh học tại đại học công nghệ Virginia đồng thời là tác giả chính trên tờ PNAS, hàng triệu năm trước khu vực đèo Yangtze chính là biển cả. Để xác định được vào thời điểm nào lượng khí ôxi đạt đủ mức phục vụ cho đời sống sinh vật dưới biển, các nhà nghiên cứu đã đặt ra câu hỏi: “Những bằng chứng địa hóa học nào đã được ghi lại trên những phiến đá?” (theo lời Shuhai Xiao – phó giáo sư ngành địa chất học tại đại học công nghệ Virginia).

Trong ảnh (tầm nhìn chiểu rộng vào khoảng 0,15 milimet) là một hóa thạch của tế bào nhân hoàn chỉnh được bảo quản đặc biệt tại khu Doushantuo Formation – Nam Trung Quốc. Phân tích các dữ liệu địa hóa cho thấy sự đa dạng hóa từ rất sớm của các tế bào nhân chuẩn có thể liên quan đến quá trình ôxi hóa theo giai đoạn diễn ra tại các đại dương vào kỉ Ediacara. (Ảnh: Shuhai Xiao)

Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng đã từng tồn tại rất nhiều cacbon hữu cơ trong lòng đại dương khi tỉ lệ ôxi còn thấp. Khi tỉ lệ ôxi tăng lên, một phần cacbon hữu cơ bị ôxi hóa thành cacbon vô cơ – trong đó lại có một phần được bảo tồn dưới dạng canxi cacbonat trên những phiến đá. Ganging Jiang – trợ lý giáo sư địa chất học thuộc đại học Nevada tại Las Vegas kiêm đồng tác giả của nghiên cứu – cho biết: “Chúng tôi xác định dấu tích đồng vị cacbon của cả cacbon hữu cơ và cacbon vô cơ trong những lớp đất đá cổ xưa từ đó suy luận ra các hiện tượng ôxi hóa”.

Các lớp trầm tích tại Three Gorges Dam có tuổi thọ đến hàng triệu năm. McFadden cho biết: “Chúng tôi xem xét từng lớp đất đá, đo đạc và xác định tính chất của nó; sau đó cứ một vài fit chúng tôi lại lấy một mẫu đất đá nhỏ”. Bà đã thu thập được 200 mẫu đất đá, chúng được gửi đến 3 phòng thí nghiệm khác nhau."

Các nhà nghiên cứu đã rửa sạch rồi nghiền các mẫu thành bột, sau đó cho phản ứng với axit để giải phóng khí cacbonic từ muối cacbonat. Phần cặn được đốt cháy để lấy khí cacbonic từ vật liệu hữu cơ. McFadden nói: “Chúng tôi dùng quang phổ kế để đo lượng khí cacbonic được giải phóng; từ đó biết được tỉ lệ đồng vị cacbon hữu cơ và muối cacbonat có trong mẫu đất đá”.

“Sự dư thừa tương đối đồng vị cacbon 12 và cacbon 13 không phân hủy theo thời gian cung cấp cho chúng ta một hình ảnh về các quá trình liên quan đến môi trường diễn ra trong tự nhiên tại các thời điểm khác nhau được ghi lại trong các lớp đất đá”.

Mẫu địa tầng học về các đồng vị cacbon đã chỉ ra cho các nhà nghiên cứu thấy rằng đại dương trước kia đã từng thiếu oxi trầm trọng khi động vật còn chưa xuất hiện; nhưng nó đã được cung cấp ôxi từ hai sự kiện riêng biệt.

McFadden nói: “Sự kiện đầu tiên dường như ít ảnh hưởng đến trữ lượng cacbon hữu cơ lớn trong sâu thẳm lòng đại dương, nhưng cũng gây ra những ảnh hưởng đáng kể đến các dạng sống cực nhỏ. Sự kiện thứ hai xảy ra vào khoảng 550 triệu năm trước; tuy nhiên nó lại gây ra sụt giảm đối với trữ lượng cacbon hữu cơ. Điều đó cho thấy rằng đại dương bắt đầu bị ôxi hóa sâu rộng ngay trước khi tiến hóa xảy ra cũng như là sự có mặt đa dạng của những động vật đầu tiên trên trái đất”.

McFadden nói tiếp: “Doushantuo Formation có giữ những hóa thạch quý giá. Do đó chúng ta có thể nghiên cứu những nhóm hóa thạch chủ yếu, khi nào chúng xuất hiện và khi nào tuyệt chủng, đồng thời thấy được mối quan hệ giữa các hiện tượng ôxi hóa và các nhóm sinh vật”.

Alan J.Kafman – đồng tác giả của nghiên cứu thuộc đại học Maryland – cho biết: “Nghiên cứu đã hỗ trợ cho quan điểm rằng sự sống và môi trường cùng tiến hóa trong giai đoạn phát triển dữ dội này của trái đất”.

Các nhà nghiên cứu đã phân tích các mẫu hóa thạch lấy từ Doushantuo Formation (từ các dạng sống cực nhỏ xuất hiện 635 triệu năm trước cho đến các loài tảo xuất hiện 551 triệu năm trước). Nhìn vào những dữ liệu từ 4 địa điểm có những hồ sơ đồng vị tương đương, các nhà khoa học cho rằng hiện tượng ôxi hóa đầu tiên khiến các sinh vật cực nhỏ phát triển, một vài dạng trong số đó được cho là phôi phát triển thành những động vật đầu tiên. Sự kiện ôxi hóa lần hai xảy ra đồng thời với sự gia tăng chóng mặt của các loài tảo có cấu trúc phức tạp. McFadden nói: “Cả hai hiện tượng ôxi hóa đều xảy ra cùng lúc với tính đa dạng tăng lên của nhóm hóa thạch tại lòng chảo Doushantuo với số lượng các loài gần như gấp đôi”.

Kéo theo sau sự kiện ôxi hóa thứ hai, từ 550 đến 542 triệu năm trước, là sự gia tăng toàn cầu của các sinh vật kỉ Ediacara (các dạng sống siêu nhỏ có cấu trúc phức tạp) – sự kiện này mới đây được đặt tên là Cuộc Bùng Nổ Avalon. Đó là thời gian chúng ta có những động vật đào hang đầu tiên cùng với những động vật sinh khoáng hóa trong các hồ sơ hóa thạch. Động vật sinh khoáng hóa là những sinh vật đầu tiên có xương bên ngoài, hay còn gọi là mai.

Tuy nhiên, động cơ của hai hiện tượng ôxi hóa này vẫn chưa được làm rõ. McFadden phát biểu: “Các hiện tượng phát hiện thấy trong lòng đại dương có liên quan đến ôxi trong khí quyển phản ứng với trầm tích trong lòng đất. Đất đá trải qua mưa nắng có thể giải phóng các ion hòa tan nhất định (ví dụ như sunfat) rồi cuốn chúng ra sông suối. Các ion này lại được đưa đến đại dương nơi chúng có thể được vi khuẩn sử dụng để ôxi hóa nguồn cacbon hữu cơ có trong lòng đại dương sâu thẳm”.

Bài "Hiện tượng ôxi hóa và tiến hóa sinh học kỉ Ediacara” do Kathleen A. McFadden viết. Đồng tác giả có: Jing Huang và Xuelei Chu thuộc viện Địa lý và địa vật lý – Học viên khoa học Trung Quốc, Ganqing Jiang, Alan J. Kaufman, Chuanming Zhou và Xunlai Yan thuộc Viện Địa lý và cổ sinh vật học Nanjing – Học viện khoa học Trung Quốc; cuối cùng là Shuhai Xiao. Tham khảo bài viết theo địa chỉ http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0708336105v1. Bài viết sẽ được đăng tải trên số ra ngày 4 tháng 3 (số 9, phần 105 – trang 3197-3202).

Nghiên cứu hợp tác này được chương trình Cổ sinh vật và địa chất NSF, chương trình Sinh học ngoài trái đất NASA, Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc, viện nghiên cứu công nghệ tới hạn và khoa học ứng dụng Virginia, Quỹ tiến hóa trái đất và một số quỹ khác tài trợ.